آمونیاک نقش مهمی در حفظ تولید مواد غذایی برای جمعیت روبه‌رشد جهان ایفا می‌کند، اما حدود ۲ درصد از مصرف انرژی و ۱.۴ درصد از انتشار دی‌اکسید کربن جهان را به خود اختصاص می‌دهد. مهندسان «دانشگاه رایس» (Rice University) یک طراحی جدید را برای ساخت یک رآکتور متحول‌کننده ارائه داده‌اند که می‌تواند در روند تولید آمونیاک کربن‌زدایی انجام دهد و در عین حال، به کاهش آلودگی آب بپردازد.

به نقل از وب‌سایت رسمی دانشگاه رایس،  این گروه پژوهشی به سرپرستی «هائوتین وانگ» (Haotian Wang) یک سیستم رآکتور جدید را توصیف کرده‌اند که نیترات‌ موجود در پساب‌های صنعتی و روان‌آب کشاورزی را به آمونیاک تبدیل می‌کند. آمونیاک در طیف گسترده‌ای از محصولات صنعتی و تجاری، از کودهای شیمیایی گرفته تا پاک‌کننده‌های خانگی، پلاستیک، مواد منفجره و حتی سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آمونیاک در حال حاضر یکی از پرمصرف‌ترین مواد شیمیایی در جهان است که تقاضای جهانی آن از ۱۸۰ میلیون تن در سال می‌گذرد. راه اصلی برای تولید آمونیاک، فرآیند «هابر-بوش» (Haber-Bosh) است و به واکنش بین هیدروژن و نیتروژن نیاز دارد که در شرایط دما و فشار بالا رخ می‌دهد و به زیرساخت‌های متمرکز در مقیاس بزرگ وابسته است. یکی از جایگزین‌های این فرآیند، سنتز الکتروشیمیایی است که با استفاده از الکتریسیته برای هدایت واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود.

«فنگ یانگ چن» (Feng-Yang Chen)، پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: الکتروشیمی می‌تواند در دمای اتاق رخ دهد، بیشتر با فرمت‌های مقیاس‌پذیر برای سیستم‌های زیرساختی گوناگون سازگار است و ظرفیت آن را دارد که با انرژی‌های تجدیدپذیر غیرمتمرکز تغذیه شود. با وجود این، چالش کنونی برای این فناوری این است که مقادیر زیادی از مواد شیمیایی افزودنی باید در طول فرآیند تبدیل الکتروشیمیایی استفاده شوند. رآکتوری که ما توسعه داده‌ایم، از یون‌های قابل بازیافت و یک سیستم متشکل از سه محفظه برای بهبود کارآیی واکنش استفاده می‌کند.

یکی از نوآوری‌های کلیدی، استفاده از یک الکترولیت جامد متخلخل است که نیاز را به غلظت‌های بالای الکترولیت‌های پشتیبان از بین می‌برد. این امر، تلاش‌های پیشین را برای تبدیل نیترات‌ به آمونیاک با مشکل روبه‌رو کرده است. علاوه بر این، تامین انرژی فرآیند تبدیل با انرژی‌های تجدیدپذیر اساسا تولید آمونیاک را کربن‌زدایی می‌کند.

چن گفت: ما در آزمایش‌ها آب آلوده به نیترات را از میان این رآکتور عبور دادیم و میزان آمونیاک تولیدشده و خلوص آب تصفیه‌شده را اندازه‌گیری کردیم. آزمایش‌ها نشان داد که سیستم رآکتور جدید ما می‌تواند آب آلوده به نیترات را به صورت بسیار کارآمد و بدون نیاز به مواد شیمیایی اضافی به آمونیاک خالص و آب تمیز تبدیل کند. به عبارت ساده، شما فاضلاب را وارد می‌کنید و آمونیاک خالص و آب تصفیه‌شده را بیرون می‌آورید.

رآکتور جدید امکان تحقق یک مسیر را برای تبدیل الکتروشیمیایی نیترات به آمونیاک امکان‌پذیر می‌کند که نیاز به نیترات‌زدایی را از بین می‌برد. کارخانه‌های تصفیه فاضلاب در این فرآیند، نیترات‌ها را از آب آلوده حذف می‌کنند و به تولید نیتروژن می‌پردازند که به فرآیند هابر-بوش وارد می‌شود. این روش علاوه بر دور زدن مسیرهای سنتی نیترات‌زدایی و هابر-بوش، یک روش مؤثر را برای برطرف کردن آلودگی آب ارائه می‌دهد.

«پدرو آلوارز» (Pedro Alvarez) گفت: نیترات یکی از آلاینده‌های اولویت‌دار است که بیشتر استانداردهای آب آشامیدنی را نقض می‌کند و از آنجا که زمین‌های کشاورزی با منابع آب زیرزمینی آلوده به نیترات به توسعه شهری وارد می‌شوند، نگرانی قابل توجهی برای شهرهای در حال توسعه پدید می‌آید. حذف متعارف نیترات در تصفیه آب آشامیدنی شامل تبادل یونی یا فیلتراسیون غشایی طی فرآیند «اسمز معکوس» (Reverse Osmosis) است که آب‌نمک تولید می‌کند و مشکل نیترات را از یک فاز به فاز دیگر انتقال می‌دهد.

آلوارز ادامه داد: نوآوری پروفسور وانگ بسیار به‌ موقع و مهم است، زیرا راه‌حلی را ارائه می‌دهد که سمی بودن نیترات و مسئولیت مرتبط با آن را بدون نیاز به افزودن مواد شیمیایی تصفیه‌کننده از بین می‌برد.

پیامدهای این کار فراتر از تولید آمونیاک است. طراحی رآکتور و ارزیابی فنی-اقتصادی همراه با مطالعه می‌تواند به تحقیقات بیشتر درباره سایر فرآیندهای شیمیایی سازگار با محیط زیست کمک کند و نحوه برخورد صنایع را با چالش‌های زیست‌محیطی تغییر دهد.

وانگ گفت: یافته‌های ما یک روش جدید و سازگار با محیط زیست را برای مقابله با آلودگی آب و تولید آمونیاک نشان می‌دهد که می‌تواند بر نحوه مدیریت این چالش‌ها توسط صنایع و جوامع تأثیر بگذارد. اگر بخواهیم آب را کربن‌زدایی کنیم و تا سال ۲۰۵۰ به هدف خالص شدن آب برسیم، به توسعه راه‌های جایگزین برای تولید پایدار آمونیاک نیاز فوری داریم.

این پژوهش در مجله «Nature Catalysis» به چاپ رسید.